[原创]基于MAX1968的LD自动温度控制系统设计

本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 09:56 编辑

基于MAX1968的LD自动温度控制系统设计
杨家桂
引言
     LD(激光二极管)由于其波长范围宽、制作简单、成本低、易于大量生产，而且体积小、重量轻、寿命长，因而品种发展快，目前已超过300种，应用范围覆盖了整个光电子学领域，成为当今光电子科学的核心技术，广泛应用于激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等领域，并形成了广阔的市场。
LD缺点是输出特性受温度影响很大，见图1。


     随着温度的升高，需要有更多的载流子注入来维持所需的粒子数反转，LD的阈值电流升高，这会导致LD的能量转化效率降低，将电能转换为热能，发射波长也随着温度的变化发生漂移。如果LD不能快速有效地制冷，则不仪会影响其输出特性，甚至会损坏LD。
    为了保证LD有较长的工作寿命，必须采取ATC(自动温度控制)措施，通过控制LD管芯温度来维持LD正常工作的温度。
    一般ATC是采用半导体TEC(热电制冷器)。TEC是一种没有运动部分的小型热泵，常被运用于空间有限和高可靠性的场合。TEC的功能实现取决于供电电流的方向，通过改变电流方向实现制热或者制冷。本文介绍的芯片MAX1968，是用来控制TEC实现LD的ATC。
1 LD热电温度控制原理
   LD温度控制的基本原理是：温度传感器实时地测量安放在TEC冷端的激光管温度，期望的工作温度由设定点的电压来表示，它与温度传感器产生的表示LD实际温度的电压通过运放进行比较，产生一个偏差电压，此信号经过相应的硬件和控制算法处理后，输出一定的电压经过驱动电路送给TEC模块，TEC根据流过电流的方向，对LD进行制冷或加热，使得LD稳定在所要求的温度值。LD的温度控制系统必须满足精度高，响应速度快、稳定性好的要求，而且要能实现双向控制，以适应外界温度变化和LD本身工作条件的不确定性。同时，还要考虑到LD的保护问题。
   TEC控制器按输出的工作模式可分成线性模式和开关模式。传统LD的热电温度控制大多采用线性模式的TEC控制器，一个简单的线性驱动TEC电路由两个推挽功率三极管构成，虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点，但功率效率低、控制精度不高，电路集成度较低，而且存在温度控制“死区”问题。
   本文介绍的MAX1968是高度集成、高性价比、高效率的开关型TEC模块驱动器，采用直接的电流控制。
2 MAX1968功能及其特点
   MAX1968是一款适用于Peltier TEC模块的开关型驱动芯片，工作于单电源，能够提供±3 A双极性输出，其功能框图如图2所示。

    MAX1968主要由两个开关型同步降压稳压器组成，100％的占窄比实现了低压差操作。在两个同步降压稳压器输出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，经过LC滤波驱动TEC。两个稳压器同时工作产生一个差动电压，直接控制TEC电流，实现TEC电流的双向控制，双极性工作避免了线性驱动所存在的“死区”问题，以及轻载电流时的非线性问题，能够实现无“死区”温度控制。外部控制电路的输出电压加在TEC电流控制输入端CTL1，直接设置TEC电流。一般TEC+接OS2，TEC-接OS1，OS1和OS2不是功率输出，而是用来感测通过TEC的电流，流过TEC的电流由下式确定：
式中：RSENSE为TEC电流的感应电阻；VCTL1为外部控制电路的输出电压；VREF为参考电压(1.5 V)。
   假设正向电流为加热，则VCTL1>1.5 V为加热，电流的流向从OS2到OS1，OS1、OS2、CS这3个引脚的电压关系为：VOS2>VOS1>VCS，反之则制冷。
   开关稳压器是按周期运作的，以把功率传输到一个输出端，这种转换方法会在基频及谐波上产生很大的噪声分量，但是在MAX1968中是相位转换并提供互补同相工作周期，所以纹波波形大大减小，抑制了纹波电流和电气噪声进入TEC模块，进而影响LD工作性能。FREQ用来设置内部振荡器的开关频率，当FREQ接地频率为500 kHz，FREQ接电源频率为1 MHz。
   MAX1968片内带有的MOSFET驱动器，减少了外部元件，芯片工作在较高的开关频率下，可以用更小的电感和电容，从而减少PCB(印制电路板)的面积、降低成本。
 为了确保电流控制环的稳定，在COMP端接一补偿电容，此电容的值可由下式确定：
   式中:f为电流控制环的频率，一般不大于LX1端的滤波谐振频率；gm为环的跨导，典型值为100μA／V；RTEC为TEC阻抗。
将SHDN引脚置低，MAX1968还可以工作在省电模式。
芯片还提供了一系列的保护和监测功能：
   a) 限制流过TEC最大的正向和反向电流，而且是独立控制的。可根据使用的TEC在REF和GND之间通过分压电阻，在引脚MAXIP和MAXIN端设置。
   b) ITEC为状态输出，用以监测TEC的电流，是通过CS与OS1之间的电流感应电阻取样，此输出电压与流过TEC的电流成正比。
   c) TEC电压限制功能，MAX1968为TEC提供了最大压差控制，在REF和GND之间通过分压电阻设置VMAx，VMAx在0～1.5 V内变化，而通过TEC的电压为VMAX的4倍。
   d) 模拟控制信号直接精确地设置TEC电流，消除了TEC中的浪涌电流。
3 MAX1968应用电路设计方案
   要保证LD正常工作，首先要确定LD的正常工作温度。LD现在一般都做成内带背光检测光敏二极管，TEC和温度传感器的LD组件其半导体制冷器和温度传感器都紧贴在LD的管芯上，这样制冷效果很好，而且温度传感器检测到的温度能正确地反应LD的工作温度。MAX1968是一个TEC控制器，用于设定和稳定TEC的温度。每个加载在MAX1968电流控制输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对LD供热或是制冷。LD的温度由温度传感器来测量并反馈给MAX1968，用于调整系统回路和驱动TEC工作。TEC控制器为了完成此工作，需要一个精密的输入放大器，用以准确测量目标温度和LD实际温度之间的差别；需要一个补偿放大器，用以优化TEC对温度间隔的反应。MAX1968能高效率工作以减小热量，而且体积小，系统外部元件少，所以可广泛应用于激光器、各种光电仪器和光通信、自动测试设备和生物技术实验室没备等ATC系统。图3为利用MAX1968设计LD的温度控制系统。

   系统中主控回路采用负反馈，将温度传感器输出的电压与给定电压比较，所得误差值经放大和一定的控制电路或控制算法后，送入MAX1968，以控制TEC上的电压、电流的大小和方向，进而实现制冷或制热。
下面简单介绍LD温度控制系统中有关温度传感器、给定温度值等部分的选择方案。
3.1 温度传感器的选择
温度传感器的选择至少要考虑4方面因素：线性度、温度范围、灵敏性以及其大小。常用的温度传感器有负温度系数的热敏电阻、RTD(电阻温度检测器，包括铂电阻、铜电阻等)、集成温度传感器(如LM335、AD590或AD592等)，它们的有关参数比较见表1。

   最常用的是热敏电阻，其灵敏度高，体积小，价格低，但是其阻值与温度呈非线性关系，所以在应用中通常要进行线性化处理。RTD的阻值随着温度的变化线性增加，但其灵敏性较差，一般用在稳定性要求不高的场合。LM335、AD590在整个温度范围内都具有很好的线性，而且灵敏度很高，LM335是电压输出型，温度每变化1 K，其电压改变10 mV；AD590是电流输出型，温度每变化1 K，其电流变化1 mA。它们的温度稳定性可达到0.01℃，在LD温度控制系统中应用也很广泛。
3.2 给定温度值的设定
   采用电阻分压器直接设定温度值，其电路简单，操作方便，但调节比较麻烦，而且精度不高。
   利用单片机设定相对某一温度的给定电压数字量，经D／A转换器芯片(如MAX5144)转换为模拟给定值。这种方法电路较复杂，但可通过程序直接将给定值设定在期望值附近，数字调节的精度很高，而且单片机还可应用于控制电路后续的处理和显示电路中。
3.3 控制方法
   温度传感器所提供的反馈信号与设定的温度值比较后得到的误差项经过放大处理送给控制电路。最常用的控制电路是由分立元件所构成的模拟PID，也可以是数字PID控制，但是有一点要注意，数字PID容易在系统引入噪声，需要进行适当处理，否则会影响系统的性能。除了上面两种控制方法，还有一种较为常用的方法就是在系统中利用单片机作为微控制器，通过A／D、D／A转换和PID算法，输出模拟量给MAX1968的CTL1，以驱动TEC实现对LD的加热或制冷，软硬件结合，可以提高整个系统的稳定性和精度。
3.4 其他注意事项
   元器件选定后构建LD温度控制系统最重要的工作就是机械安装。如果热沉不合适或者器件之间的热传导很差，不仅会使得系统性能下降，甚至可能会导致器件的损坏。
   从概念上说，热沉的作用很简单：提供一个恒温表面，通常接近室温。热沉的性能将影响系统最大温度范围和温度稳定性。为了有效地散热，热沉最好是带有翅状的突起，热沉表面积越大，热量消散越快。如果热沉设计不好，系统会陷入热量失控的恶性循环，即热沉不能及时将泵浦进去的热量转移走，则TEC冷端的温度会升高，传感器感测到这个温升后，控制器将增加输出电流以补偿温度的升高，而随着电流的增加又泵浦更多的热量进入热沉，进一步升高TEC冷端的温度。这样不断循环下去直到到达电流的极限值，这时系统将不再受控，激光器也无法稳定在设定的温度值。所以热沉应能及时将激光器和TEC冷端所产生的热量消散掉。
   TEC模块安装到热沉中有不同的方法，对具体的TEC，制造商会推荐适当的安装方式，为实现优化温度控制，从待冷却(或加热)的器件到TEC表面的热通路应有高的热传导率和短的物理长度，温度传感器也尽可能靠近激光器以提高测量准确度。同时，还要尽量减小辐射和对流所带来的损失。
4 结束语
   本文介绍TEC驱动芯片MAX1968的控制原理及其特点，并给出了该芯片的应用设计方案，同时讨论了构成系统的各部件选择方案或原则，对不同的LD和TEC只要恰当地选择外围器件，用MAX1968构建的温度控制系统可以快速稳定地达到所设定的温度值，稳定性可达到0.01℃。
     信息不源：电子工程师



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